低成本USB接口密钥的设计方法

     摘要：提出了一种高安全、高效率、低成本USB 接口密钥的设计方法。采用8位USB微控制器MC9S08JS16，通过其内置的全速USB2.0模块，实现与PC机的通信，并采用现在公认最安全和高效的高级加密标准（AES）算法对输入数据进行加密，同时对AES在单片机中的加密程序进行了优化。实验表明，USB密钥可在短时间内完成对少量数据的加密，适用于加密数据量较小的场合，电路设计简单，稳定性高，易于携带。

　　引言

 　　随着互联网与电子商务的发展，网络信息安全问题显得尤为重要。数据保密变换或信息加密，成为对计算机信息进行保护的最实用和最可靠的方法。各种加密技术如软件自校验、密码加密、钥匙盘等软加密技术和扩展卡、并行口软件加密狗等硬加密技术应运而生，而USB接口密钥(USB Key)凭借其独特的优势和极高的安全性备受青睐。

　　USB Key是一种通过USB(通用串行总线)接口直接与计算机相连、具有密码验证功能、可靠高速的小型存储设备。USB Key的设计小巧精致、携带方便。由于是USB接口设备，USB Key通过USB端口提供的电源来工作，不需要额外的电源。USB Key自身所具备的存储器用于存储一些个人信息或证书，USB Key的内部密码算法可以为数据传输提供安全的管道，适用于单机或网络应用的安全防护产品。

　　1 系统工作原理及硬件设计

　　USB Key(简称Ukey)通过USB接口与PC机相连，用户可以通过位于PC机的客户端向Ukey发出命令，Ukey通过内部固件中算法实现数据加密，然后将加密后的数据返回客户端。其工作原理如图1所示。设计选用了8位USB微控制器(MCU)MC9S08JS16，MC9S08JS16型MCU内置全速USB2．0控制器并集成了1个USB收发器，同时含有高达16 KB的Flash和512 B的RAM。

　　用户可以通过片内专用的3．3 V稳压器或VUSB3．3引脚外接3．3 V电源为USB收发器和上拉电阻提供电源，这里采用片内的3．3 V稳压器为USB收发器提供电源(须使能USBCTL0寄存器的USBVREN位)，硬件连接图如图2所示。

　　USB模块需要两个时钟源，分别为24 MHz总线时钟和48 MHz参考时钟。48 MHz时钟源由MCGOUT直接产生，为了获得48MHz时钟速率，MCG(通用时钟产生器)必须被适当配置为PLL使能的外部占用模式PEE(PLL EngagedExternal)，外接一晶振。MC9S08JS16的USB模块选择内部上拉电阻(使能USBCTL0寄存器USBPU位)USB主机通过检测上拉电阻检测USB设备的联结并确定设备速度。

　　2 系统软件设计

　　2．1 USB设备初始化

　　图3为USB模块初始化流程图，固件代码初始化USB模块，使其准备联结到USB主机。通过设置USBCTL0寄存器的RESET位，重置USB模块和所有寄存器为默认状态，完成对USB RAM，BD(buffer descriptor)寄存器的初始化，特别是对于端点0的BD，设置EPAD寄存器，指示端点寄存器在USB RAM中的存储，为了接收DATA0数据包，状态与控制寄存器设置为(DTS=1，OWN=1，DATAO／1=0)。使能端点0，并根据硬件设计配置USB模块，使能上拉电阻，3．3 V稳压器与PHY。开放USB模块和USB中断，设备被置为连接状态。

　　2．2 AES加密算法

　　系统采用128位高级加密标准AES(Riindael)算法进行数据加密。AES(Advanced Encxyption Standard)是美国国家标准与技术研究所用于加密电子数据的规范，用于代替现有的DES算法，AES作为新一代的数据加密标准汇聚了强安全性、高性能、高效率、易用和灵活等优点，被预期能成为公认的加密包括金融、电信和政府数字信息的方法。

　　AES算法是基于置换和代替的。置换是数据的重新排列，而代替是用一个单元数据替换另一个。AES加密例程开始是拷贝16字节的输入数组到一个名为State(态)的4x4字节矩阵中。AES算法加密过程如图4所示。

　　AES的主循环对State矩阵执行4个不同的操作，规范中被称为SubBytes(字节替换)、ShifiRows(行位移变换)、MixColumns(列混合变换)和AddRoundKey(轮密钥加)。AES加密算法使用了一个由种子密钥字节数组生成的密钥调度表，AES规范中称之为密钥扩展例程(KeyExpans-ion)。

　　SubBytes例程是一个代替操作，它将State矩阵中的每个字节替换成一个由Sbox决定的新字节，Sbox是初始化的1个16x16的矩阵。比如State[0，1]的值为0xXY，则被替换为Sbox表中Sbox[X，Y]的值。

　　ShifiRows是一个置换操作，它将State矩阵中的字节向左旋转。State的第0行向左旋转0个位置，State的第1行向左旋转1个位置，State的第2行向左旋转2个位置，而第3行则向左旋转3个位置。

　　MixColumns列混合变换过程，在该变换中将状态的每列视为有限域GF(2⁸)中的多项式且被一个固定的多项式C(x)=的模x⁴+1，GF代表伽罗瓦域，将其用矩阵形式表示为：

　　乘积矩阵中的每个元素是系数阵中第i行元素与State矩阵第j列元素State[j]的乘积之和。这里的加法和乘法都定义在有限域GF(2⁸)上；加法即按位异或，乘法遵循GF(2⁸)上的多项式乘法规则。

　　AddRoundKey轮密钥加过程，State矩阵中的元素通过与一个轮密钥进行逐位异或而得。

　　KeyExpansion密钥扩展例程，用于产生密钥调度表W[]。例程用到了2个子例程RotWord和SubWord以及1个轮常数表Rcon。RotWord将接收1个4字节的数组并将它们向左旋转1位，SubWord例程使用替代Sbox对给定的一行密钥调度表进行逐字节替换。该过程的循环为：

　　2．3 AES加密算法的优化

　　从式(1)矩阵函数可以看出，在软件实现过程中，只需关注如何实现State矩阵元素在GF(28)中与0x01，0x02,0x03的乘法和加法。GF(2 8)中用0x01的乘法相当于普通算数中用l做乘法并且结果也同样，任何值乘以0x01等于其自身；用0x02做乘法，只要被乘的值小于0x80，这时乘法的结果就是该值左移一比特位，如果被乘的值大于或等于Ox80，这时乘法的结果就是左移一比特位再用值Ox1b异或，它防止了”域溢出”并保持乘法的乘积在范围以内；用0x03做乘法时可以分解为2的幂之和，即0x03=0x02+Ox01。对程序进行优化，采用查表法，将16x16的Sbox表分别与Ox01，0x02,0x03相乘产生与Sbox相对应的3个256字节表：XtimeSbox[256]=Sbox[256]，Xtime2Sbox[256]，Xtime3Sbox[256]。将产生的表存储于code区。MixColumns过程与SubByte操作可通过以下程序完成：

　　3 USB Key性能测试

　　考虑到MCU性能，将加密算法初始化所需的4个256字节的数据表存放于Code区，128 bit-AES扩展密钥ExpendedKey=4xNbx(Nr+1)=4×4×(10+1)=176存放于data区。在保证代码空间与运算速度的前提下，经过优化，最后AES加密程序占用3 701字节的程序存储单元和277字节的RAM。

　　4 结束语

　　与通用磁盘介质相比，UKev数据只在UKeY内留存，可以防止被非法复制，保证了数据的唯一性，有利于在公共场所使用。

　　该方案设计的UKey可完成短时间内对少量数据的加密，适用于对数据量要求较小的场合，安全性高，携带方便。在与电子商务以及各种以PC为基础的安全应用上具有其他产品不可替代的优越性。